Устойчивость перевозок транспортных систем Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Устойчивость перевозок транспортных систем

А. С. КУРБАСОВ, докт. техн. наук, профессор МГУПС

Устойчивость работы транспортных средств обычно сочетается с безопасностью их движения. Это закреплено как основная задача структурной реформы железных дорог в докладе президента компании ОАО «РЖД» В. И. Якунина [1].

Полагаю полезным расширить понятие «устойчивость перевозок», включив в него следующие составляющие элементы: физические условия движения транспортного средства, его надежность, экономическую эффективность, социальную значимость и конкурентоспособность. Целесообразность такого подхода будет подтверждена на примере российских железных дорог (РЖД). Однако намеченный подход вполне применим и для других транспортных систем: автомобильного и морского транспорта, авиации. Причем оценки устойчивости перевозок следует начинать с выяснения специфичных физических условий работы транспортного средства.

За период 1960-1970 гг. на РЖД реализован технологический прорыв — паровозы заменены на электровозы и тепловозы. Суточная производительность локомотивов, особенно электровозов, существенно возросла, и радикально улучшились эксплуатационные показатели дорог. С 1980 г. появились условия для нового технологического прорыва за счет использования асинхронных тяговых двигателей.

Грузооборот (Г) — физическая работа — обеспечивается эксплуатируемым парком электровозов иэ и суточной производительностью одного электровоза Пэ

Г= 365-П-п., ткм.

(1)

Рис. 1. Вероятность растяжек поездов различной массы с электровозом ВЛ10 на участке Иркутск—Зима при ш,,=3600 т (^к=0,26) 1 — расчетная кривая; 2 — зависимость, полученная по фактическим данным

Суточная производительность электровоза Пэ = тл уу <с, тогда

Г = 365-п3-тл-уу%, (2)

где ти — масса поезда, V — участковая скорость, 1е — суточное время работы электровоза на линии.

Из приведенного следует, что прирост грузооборота при заданном потоке электровозов можно получить либо за счет наращивания участковой скорости, либо за счет увеличения массы поезда. В [2] доказано, что производительность электровоза пропорциональна мощности тяговых двигателей. На заводе НЭВЗ освоено производство тяговых двигателей мощностью 1200 кВт, а в коллекторном исполнении их мощность не превышает 800 кВт по пределу надежности, что обеспечивает увеличение производительности электровоза в 1,5 раза. Однако есть некоторый резерв для электровозов нового поколения увеличения времени суточной работы, тогда достижимо увеличение производительности в два раза.

Цель настоящей статьи — установить, какая концепция наиболее приемлема для РЖД. Сторонником концепции наращивания массы поезда даже при некотором снижении расчетной скорости является ВНИИЖТ, что нашло отражение в разработанных им технических требованиях для грузового электровоза с асинхронным приводом. Концепция радикального увеличения участковых скоростей грузового движения содержится в [2]. Российские железные дороги — непрерывно действующий конвейер, темпы движения которого определяет участковая скорость, и производительность РЖД — провозная их способность — ей пропорциональна. Это не понято, и есть надобность в углубленных оценках.

Рис. 2. Зависимость средней установившейся скорости движения на подъемах от расчетного коэффициента сцепления при регулировании напряжения: 1 — плавном; 2 — многоступенчатом; 3 — трехступенчатом

Расчетная мощность электровоза определяется мощностью, реализуемой на подъеме, которая пропорциональна произведению расчетной массы поезда на расчетную скорость. Расчетная скорость на подъеме хорошо коррелирует с участковой скоростью, что позволяет в сопоставительных расчетах использовать расчетную скорость электровоза вместо участковой скорости участка. Чтобы оценка разных концепций была корректной, необходимо принять одинаковые исходные параметры электровозов: мощность тяговых двигателей Рт , нагрузка на ось д0 и число осей. Тогда расчетные показатели -сила тяги электровоза , масса поезда тп и коэффициенты сцепления г/> будут определяться заданными скоростями уэ . Исходные и расчетные показатели сведены в таблицу, где электровоз 2ЭС5 отражает концепцию ВНИИЖТ, а электровоз 2ЭС7 (условно) — концепцию наращивания скоростей по [2].

Расчетная скорость 50 км/ч — последняя рекомендация ВНИИЖТ, а расчетная скорость 65 км/ч соответствует рекомендации [2]. Расчеты массы поезда выполнялись согласно «Правилам тяговых расчетов для поездной работы» (ПТР) для четырехосных вагонов, бесстыкового пути и расчетного подъема 9%>, обычно принимаемого. Для сопоставления расчетных параметров электровозов нового поколения с серийными в таблице приведены показатели для электровоза ВЛ80С.

Конечным показателем для оценки тяговых возможностей электровозов служит коэффициент сцепления. В таблице он приведен для длительного режима и для часового режима , на который обычно ориентируются при выборе массы поезда в России. Полученные для электровоза 2ЭС5 коэффициент ^ и особенно в электрической тяге нигде не реализуются, даже если условия эксплуатации легче, чем в России. Согласно ПТР в качестве расчетного для серийных электровозов рекомендован ^ = 0,25 . Однако у асинхронного привода есть некоторые преимущества перед коллекторным, и коэффициент сцепления для России приемлем на уровне 0,28-0,29.

Коэффициент сцепления — по сути, коэффициент трения, отражает физические возможности реализации силы тяги при взаимодействии колеса с рельсом, которые жестко ограничены. Леонардо да Винчи усредненно обозначил коэффициент трения равным 0,25, таким он рекомендуется для расчетов в ПТР. Допустимая величина выверяется длительным опытом эксплуатации, который обобщен в [3] и выборочно представлен на рис. 1-3-

На рис. 1 дана вероятность растяжек поездов на подъеме в зависимости от коэффициента сцепления и массы поезда применительно к электровозу ВЛ10. Из графиков (рис. 1) следует, что даже при = 0,25 число растяжек недопустимо велико. Растяжка поезда на подъеме — серьезный сбой движения, на ликвидацию которого требуется около часа, часто с вызовом вспомогательного электровоза. На рис. 2 показано влияние коэффициента сцепления на скорость движения на подъеме. Для электровоза с асинхронным приводом характерна кривая 1 (рис. 2), скорость движения составляет 41-35 км/ч при коэффициентах сцепления соответственно 0,25-0,27. Из кривых 2 и 3 (рис. 3) следует, что при увеличении коэффициента сцепления от р=0,24 до ^=0,26 исполнение графика движения поездов снижается с 85 до 65%.

Рис. 3. Зависимость расчетного уровня выполнения графика движения от коэффициента сцепления при различной структуре поездопотока: 1 — однородный поездопоток; 2, 3, 4 — поездопоток, в котором поезда расчетной массы составляют соответственно 60, 40 и 20%

Судя по приведенному материалу, у электровоза 2ЭС5 нет шансов на устойчивую реализацию тяги в условиях России, где даже при ^=0,23 — электровоз ВЛ80С — имеем значительное число сбоев движения, повышенный износ бандажей и на некоторых участках увеличенный износ рельсов. В России в эксплуатации находится один опытный электровоз с асинхронным приводом — ЭП10, коэффициент сцепления для расчетного режима 0,23. Причем после испытания электровоза в зимнее время в условиях Сибири не выявлено резервов по сцеплению.

Продолжим сопоставление по другим показателям.

Соотношение по расходу электроэнергии может быть рассчитано как

2ЭС5 = ?"п1 •(%." + 0 = 6300-(1,8 + 9) =П1 2ЭС7 -(>У02"-Нр) 4700-(2,03+ 9) ' '

где " — удельное сопротивление вагонов, — расчетный

подъем.

Таким образом, для электровоза 2ЭС5 при движении на подъеме имеем перерасход электроэнергии на 31%.

При движении на площадке (гр = 0 ) получим

2ЭС5 2ЭС7

_ '"п! 01

6300-1,8 4700-2,03

= 1,19,

т. е. перерасход электроэнергии составит 19%. Средний перерасход электроэнергии на участке составит примерно 25%.

Столь крупный перерасход энергии покажется многим неправдоподобным, но его можно подтвердить конкретным примером. Примем длину подъема 10 км, тогда время движения электровоза 2ЭС5 по подъему составит 10/50 = 0,2 ч; время движения электровоза 2ЭС7 составит 10/65 = 0,1538 ч. Потребляемые мощности одинаковы — 1200 8 = 9600 кВт, тогда соотношение затрат электроэнергии будет равно

9600-0,2 9600-ОД 53 8

= 1,3.

Продолжим сопоставление концепций. Провозная способность обоих электровозов должна быть одинаковой, поскольку одинаковы мощности электровозов в отсутствие ограничений по пропускной способности, а это требует

выяснения. Пропускная способность N для двухпутной трассы при пакетном графике движения поездов определяется как [41

I

где I — временной интервал между поездами. Этот показатель равен

V

где Ьбу — длина блок-участка, Ьп — длина поезда, V — расчетная скорость.

Если принять в выражении для I числители одинаковыми, то в результате получим соотношение

^--¿-^-- — -0 77 Ж, ~ /2 ~ у2 ~ 65 ~ '

Следовательно, пропускная способность для тяжеловесного поезда будет на 23% ниже, чем для скоростного. Реально для тяжеловесного поезда она еще снизится за счет повышенных затрат времени при накоплении состава на узлах формирования, сортировочных станциях. В [5] отмечено, что среднее время формирования состава массой 3600 т составляет 5 ч и оно будет существенно большим при массе поезда 9000 т. Снижение пропускной способности на тех участках, где она на пределе, недопустимо, поскольку в этом случае для повышения скорости придется использовать вспомогательный электровоз.

У концепции радикального повышения скоростей есть еще одно весомое преимущество. При увеличении участковой скорости в 1,3-1,5 раза, возможном сокращении времени на маневровые работы и грузовые операции можно увеличить скорость доставки грузов в два раза. Это не только требование рынка, но и крупный выигрыш для РЖД. Сейчас скорость доставки грузов 10-12 км/ч — рейсовая скорость вагонов [6]. При увеличении скорости доставки грузов в два раза на ту же программу перевозок в два раза сократится парк вагонов; сократится и парк электровозов, но в меньшей кратности. И последнее. При совмещенной эксплуатации грузовых и пассажирских поездов невозможно увеличить скорость пассажирских составов. Массово можно нарастить, только увеличив скорость грузовых поездов.

В приведенном материале обозначен стержень целевой установки технической модернизации РЖД — радикальное и массовое повышение участковой скорости и скорости доставки грузовых перевозок Параметры электровозов нового поколения должны отвечать этой цели. Для тяжеловесных поездов, эффективных на отдельных направлениях и маршрутах; желательно иметь специализированные электровозы на умеренные расчетные скорости с повышением нагрузки на ось. Вполне реально одним таким электровозом на профилях с подъемами порядка 10 %„ возить составы 9000 т, а на спусках порядка 20 — 6000 т. У Новочеркасского и Коломенского заводов уже имеется техническое предложение на проработку такого электровоза [9].

Кроме того, задачей РЖД является сооружение железнодорожной магистрали Восток-Запад, соединяющей евро-атлантический и азиатско-тихоокеанские рынки, при этом компания станет крупным международным перевозчиком с решением ряда социальных задач [6]. Помощник Президента России А. В. Дворкович в интервью отметил: «Россия может стать международным центром транзитных перевозок». Тогда скоростные грузовые электровозы будут необходимы.

Расчетные параметры электровозов

Серия гт< кВт „ _ число ?0>т -осей "э. км/ч тип,т С,

2ЭС5 1200 25 8 50 677 6300 0,345 0,38

2ЭС7 1200 25 8 65 521 4700 0,265 0,29

ВЛ80С 800 24 8 53,6 400 0,212 0,23

Для реализации эффекта от повышения скоростей нужна программа, охватывающая комплекс задач: вынужденное сокращение ограничений скоростей, уменьшение времени на маневровые работы, грузовые операции и др. Об этом предварительно сообщалось в [7]. Откладывать программу реализации повышения участковых скоростей и скоростей доставки грузов не следует даже в условиях финансового кризиса. В [8] показано, что можно обойтись небольшими затратами, если ускорить изготовление на заводе НЭВЗ небольшой партии (10-20 ед.) электровозов нового поколения с параметрами, сходными с параметрами электровоза, обозначенного как 2ЭС7. Это достижимо к 2011 г., и, начав эксплуатацию опытных образцов в одном-двух депо, можно к 2015 г. получить материал для развертывания серийного производства.

Из приведенного материала становится ясно, насколько важна углубленная оценка физических факторов для обеспечения устойчивых перевозок Это касается всех видов транспорта, но приоритетность факторов может меняться.

Дальние автомобильные перевозки имеют некоторое сходство с железнодорожными, но, конечно, есть и существенные различия. Автобаны должны быть долговечными; на железных дорогах предусмотрен капитальный ремонт путевой структуры; железные дороги работают на пределе по пропускной способности, у автобанов это не столь жестко. В авиации главный приоритет — надежность и безопасность полетов. По грузовым перевозкам даже сейчас РЖД вне конкуренции, но рейтинг их еще повысится с увеличением скоростей. С позиции социальной значимости автомобильные и железные дороги равнозначны: где нет дорог, там не устроен быт населения и не может развиваться экономика.

Для подъема экономики России РЖД способны эффективно участвовать в решении следующих фундаментальных задач:

• уменьшение затрат на транспортировку произведенной продукции;

• сокращение потребления нефтепродуктов;

• улучшение экологической обстановки;

• решение социальных задач;

• необходимость способствовать мировому торговому обмену в качестве международного перевозчика, реализуя инновационный продукт.

Железные дороги России по интенсивности эксплуатации, экономической эффективности, значимости, по техническому оснащению опережают железные дороги всех стран, особенно США, где до сих пор не используется современная электрическая тяга.

В заключение подчеркнем еще раз, что понятие «устойчивость перевозок» становится более продуктивным, если включить в него следующие составляющие: физические условия движения транспортного средства, его безопасность и надежность, экономическую эффективность, социальную

значимость. Учет физических условий движения — первооснова дальнейших оценок Из приведенного примера по грузовым поездам становится очевидной возможность крупных издержек от недооценки этого фактора.

Оценка устойчивости перевозок должна охватывать и отдаленную перспективу с учетом сокращения энергозатрат, нефтепродуктов, повышения экологических требований. Финансовый кризис обострил конкурентную борьбу транспортных систем, и победителем будет тот, кто без промедления начнет модернизацию отрасли в обоснованно выбранном направлении.

Литература

1. Якунин В. И. Об основных итогах производственно-финансовой деятельности ОАО РЖД в 2007 г. и задачи по эффективной работе компании в 2008 г. // Железнодор. транспорт — 2008. № 1.

2. Курбасов А. С. Возможности улучшения базовых показателей перевозок Российских железных дорог//Транспорт РФ. — 2006.

№ 4.

3. Лисицин А. Л., Мугинштейн Л. А. Нестационарные режимы тяги. — М., 1996.

4. Железные дороги: Общий курс. — М.: Транспорт, 1991.

5. Экономика железнодорожного транспорта. — М.: Транспорт, 1985.

6. Никифоров Б. Д., Пыров А. Е. Ключевые направления работы //Железнодор. транспорт. — 2003. № 10.

7. Курбасов А. С., Шабалин Н. Г. Приполярная магистраль — инновационный проект XXI в. // Транспорт РФ — 2008. № 1.

8. Курбасов А. С., Шабалин Н. Г. О стратегической программе технического совершенствования и развития российских железных дорог//Железнодор. транспорт. — 2004. № 9.

9. Курбасов А. С. Асинхронный привод электровозов: эффективность перевозок, технологичность производства//Транспорт РФ. — 2008. № 6.

www.rostransport.com

ТРАНСПОРТ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

. Инновационный pef 0цЦЯ транспортной отрасли Росс

ОСНОВНЫЕ ЦЕЛИ ИЗДАНИЯ:

4 способствовать объединению всех направлений транспортного комплекса России;

4 детально освещать проблемы

развития транспортной системы России;

4 продвигать достижения отечественной науки в транспортном комплексе России.

Тел./факс: (812) 310-40-97

190031, Санкт-Петербург, Московский пр., д.9

E-mail: transportRF@mail.ru

ЖУРНАЛ 0 НАУКЕ, ЭКОНОМИКЕ, ПРАКТИКЕ